EPFL和伯爾尼大學研究人員開發(fā)了一種突破性方法來研究心肌細胞的電信號。這項技術在基礎和應用研究中有許多潛在的應用，例如改進對心律失常潛在機制的研究。

細胞是人體中最小的活單位，可興奮的細胞，如神經(jīng)元和心肌細胞，使用電信號，所謂的動作電位，相互交流。科學家們使用放置在細胞膜外部或內(nèi)部的電極來研究這些信號，這些信號是正常大腦和心臟功能的基礎，這種方法被稱為細胞外和細胞內(nèi)記錄。

由Philippe Renaud領導的EPFL微系統(tǒng)實驗室4(LMIS4)和由Stephan Rohr領導的伯爾尼大學細胞光學II實驗室(Laboratory Of Cellular Optics II)研究人員聯(lián)手開發(fā)了一種新的微電極，這種微電極可以在沒有輔助的情況下穿透細胞膜，當放置在陣列中時，使科學家能夠跟蹤電活動在組織中的傳播，其研究發(fā)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)表在《納米快報》期刊上。

尖端技術

雖然這些年來細胞電活動的記錄系統(tǒng)已經(jīng)有了顯著的發(fā)展，但仍然有局限性。使用放置在膜外的電極的非侵入性細胞外多電極陣列報告僅與動作電位間接相關的信號。例如很少告訴科學家關于動作電位的實際形狀（細胞膜電位的短暫上升）這會導致心臟跳動。自從70年前伯爾尼大學生理學系的Silvio Weidmann首次測量細胞動作電位以來，科學家們一直通過使用微電極獲得細胞內(nèi)通道來測量這些信號。

這些電極可以插入細胞內(nèi)，也可以放置在細胞膜上，然后在電極嘴下面打開膜。這可以通過機械或電穿孔(將高壓脈沖施加到電極)來完成。例如，后一種技術被用來通過微觀蘑菇形狀的納米結(jié)構(gòu)電極獲得細胞內(nèi)通道。然而，這種方法并不理想，因為細胞膜和納米結(jié)構(gòu)之間的界面不穩(wěn)定，只留下一個短暫的窗口（通常最多幾秒鐘或幾分鐘）讓科學家記錄細胞的動作電位。

受自然啟發(fā)

EPFL和伯爾尼大學研究團隊利用現(xiàn)有技術的最佳特性，提出了一個巧妙的火山形狀設計來解決這個問題。LMIS4的博士助理、該出版物的主要作者伯努瓦·德比奧萊斯(Beno?t Desbiolles)說：通過重新設計幾何形狀和材料，開發(fā)了一種無需輔助就能穿透細胞膜的電極，從而消除了電穿孔的需要，同時還利用了實驗室之前的研究，這表明模擬細胞膜可以穩(wěn)定細胞（電極界面）。

這種被稱為納米火山的新型電極由三部分組成，第一個是火山口的邊緣。它由一個金環(huán)組成，金環(huán)的大小與細胞膜本身相同，并且內(nèi)襯著與細胞膜本身相同的生物分子。火山口內(nèi)部放置著一個鉑電極，用于拾取電信號。外面被中空玻璃包圍著。Desbiolles解釋說表示：一旦把一個細胞放在結(jié)構(gòu)上，它就開始下沉，銳利的邊緣會刺穿膜，電極就會穿透細胞。膜不是改造，而是將自己固定在金環(huán)上，創(chuàng)造了記錄細胞電活動的理想條件。

有前途的應用

使用納米火山陣列，科學家可以同時測量細胞培養(yǎng)中多個位置的動作電位，為心肌細胞在空間中如何相互作用提供了豐富的見解。該出版物的共同作者斯蒂芬·羅爾(Stephan Rohr)說：對于像我這樣的電生理學家來說，這項技術有點像夢想成真。除了測量單個細胞的動作電位外，現(xiàn)在還可以研究傳播的動作電位是如何根據(jù)組織結(jié)構(gòu)和病理條件改變其形狀。這一知識對于更深入地理解導致潛在致命心律失常的機制至關重要。

納米火山的潛在應用遠遠超出了心臟電生理學，除了其突破性的設計，而且電極也非常容易制造。目前正在進行測試，看看它是否同樣適用于神經(jīng)元和其他可興奮的細胞類型。這個設計也為其他科學學科帶來了希望：納米火山打開了一扇通往細胞的門，可以想象在里面進行電化學。這項技術也可能對制藥行業(yè)有吸引力，允許科學家測試細胞對藥物的反應，并從長遠來看，開發(fā)有針對性的治療方法。

博科園｜研究/來自：洛桑聯(lián)邦理工學院

參考期刊《納米快報》

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02209

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